УДК 535.4; 621.378.8; 681.2
PACS 05.40.Ca, 07.07.Df, 42.25.Bs, 42.62.-b, 42.82.-m, 89.60.-k
Анализ чувствительности интегрально-оптического сенсора
газообразных веществ при наличии аддитивного случайного шума
А. A. Егоров,1 Т. К.Чехлова,2 В. И. Григорук,3 А. В. Коваленко3
1 Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН
2 Российский университет дружбы народов
3 Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко
Получена 8 сентября 2010 г.
Аннотация. Проанализирована зависимость чувствительности интегрально-оптического волноводного сенсора от длины волноводной сенсорной ячейки, эффективности ввода лазерного излучения в волновод, сечения поглощения детектируемого вещества и уровня аддитивного случайного шума. По данным компьютерного моделирования установлено, что интегрально-оптический сенсор данного типа может обнаруживать содержание, например, газообразного аммиака в воздухе с предельной теоретической концентрацией около 0.1 ppm при сечении поглощения исследуемого вещества 4∙10-16 см2, величине отношения сигнал/шум около 20, длине сенсорной ячейки примерно 4 см и эффективности ввода лазерного излучения в волновод не менее 40%.
Ключевые слова: интегрально-оптический сенсор, химический сенсор, лазерное излучение, газообразные вещества, численное моделирование, случайный шум.
Введение
В последние годы существует устойчивый интерес к развитию оптических сенсоров (датчиков) [1-13], который обусловлен в основном следующими их преимуществами: высокой чувствительностью, быстрым срабатыванием, простотой мультиплексирования сигнала, а также – применением интегральных технологий [2-14]. По-нашему мнению, среди оптических химических датчиков интегрально-оптические химические сенсоры [2-13] являются наиболее перспективными.
Принцип работы интегрально-оптического химического сенсора, например абсорбционного типа, основан на регистрации изменения интенсивности лазерного излучения, взаимодействующего с исследуемой газообразной (газ, пар) или жидкой средой на некоторых длинах волн, характерных для данной среды.
В оптико-лучевом
приближении лазерное излучение, введенное в регулярный планарный волновод,
распространяется вдоль волновода в виде плоских волн, двигающихся по
зигзагообразному пути и испытывающих полное внутреннее отражение на границах
волновода [14]. Оптическая энергия моды не
ослабевает в результате интерференции волн отраженных на границах волновода,
если полное изменение фазы в вертикальном направлении кратно 2
(выполнено
резонансное условие).
При появлении рядом с волноводным сенсором газообразной или жидкой среды, у которой есть характерная линия поглощения, совпадающая с длиной волны лазерного излучения, будет наблюдаться затухание мощности волноводной моды за счет взаимодействия экспоненциально затухающего в воздухе поля ТЕ-моды с исследуемой средой. Именно этот эффект и лежит в основе работы интегрально-оптического химического датчика абсорбционного типа.
Несомненный интерес представляет также исследование интегрально-оптических датчиков, в которых используются вытекающие волны. Необходимо подчеркнуть, что в этом случае для анализа процессов распространения направляемых волноводных мод, а также процессов рассеяния излучательных волноводных мод неприменимы как метод Фурье разделения переменных, используемый для регулярных волноводов [1, 2], так и метод разложения по полной системе направляемых мод и мод излучения регулярного волновода [2, 7-15]. Поскольку постоянная распространения здесь комплексная и существует проблема ортогональности соответствующих мод [15-18]. В общем случае необходимо рассмотрение распространения и трансформации поляризованного монохроматического излучения в многослойном интегрально-оптическом трехмерном (3D) нерегулярном волноводе [15-18].
В настоящей работе основное внимание уделено исследованию чувствительности трехслойного интегрально-оптического датчика газообразных веществ в зависимости от длины волноводной сенсорной ячейки, эффективности ввода лазерного излучения в волновод и уровня аддитивного случайного шума. Как показали данные проведенного нами компьютерного моделирования, именно эти параметры оказывают важнейшее влияние на чувствительность волноводного химического сенсора.
Принцип действия интегрально-оптического абсорбционного сенсора
Схема, иллюстрирующая процесс детектирования газообразного вещества с помощью интегрально-оптического датчика (см., например, [11-13]) изображена на рис. 1. Интегрально-оптические химические датчики могут иметь волноводный слой из различных материалов. Это может быть пленка Та2О5, нанесенная с помощью катодного распыления на стеклянную подложку. Волноводный слой может быть изготовлен также методом твердотельной диффузии PbO2 в стеклянную пластину. Могут применяться и другие типы пленок, например, из полистирола, желатины или полиметилметакрилата. Поверхность использованной в наших экспериментах стеклянной пластинки (марки К8) была обработана по 14-му класса чистоты. Среднеквадратичная величина шероховатости поверхности этой пластинки не превышает 100 Å.
Для ввода и вывода лазерного излучения в волноводный сенсор могут использоваться призмы, дифракционные решетки. Может использоваться также торцевой ввод лазерного излучения. Выбор конкретного типа волновода и способа ввода/вывода лазерного излучения в интегрально-оптический волновод определяется конструкцией сенсора, типом исследуемого вещества, а также – предъявляемыми к датчику технологическими требованиями.
Общая схема экспериментальной установки дана на рис. 2. Для конкретности мы выбрали в
качестве исследуемого вещества аммиак (NH3). В качестве
источника когерентного излучения используется лазер 1 с
длиной волны 
,
совпадающей с одной из
полос поглощения детектируемого газообразного аммиака, либо находящейся в ее
окрестности.
Отметим, что в традиционной спектроскопии известны следующие полосы поглощения газообразного аммиака: 110–230 нм,[1] около 790 нм, около 1300 нм, около 3000 нм, около 9000 нм, около 10300 нм и около 10700 нм [3, 5, 8]. Менее известна и пока все еще слабо изучена область поглощения NH3 в диапазоне 549–653 нм [3, 5, 8, 9]. Эти работы выполнены с использованием классических источников излучения (типа ламп накаливания).
Рис. 1. Схема детектирования газообразного вещества. Интегрально-оптический волновод, образованный средами 1-3: 1 – воздух, 2 – волноводный слой; 3 – подложка; h – толщина волноводного слоя; L – длина волноводной сенсорной ячейки.
Схематично показан экспоненциальный спад напряженностей электромагнитного поля направляемой ТЕ0-моды в воздухе.
В работах по интегрально-оптическим датчикам, выполненным за последние пятнадцать лет, используются преимущественно лазерные источники излучения (газовые и полупроводниковые лазеры). В ряде этих работ обнаружена удовлетворительная чувствительность интегрально-оптических сенсоров к аммиаку, как в окрестности 600 и 633 нм [3, 8, 13], так и в диапазоне длин волн от примерно 500 до 700 нм [5].
Вместе с тем особенности работы различных интегрально-оптических сенсоров в видимом диапазоне длин волн изучены пока еще слабо. Нет, например, достоверных данных о взаимодействии молекул аммиака, как с поверхностью конкретного сенсора, так и с приповерхностным слоем сенсора в поле лазерного излучения волноводной моды. Хотя еще в первых работах по интегрально-оптическим датчикам отмечались возможности сложного взаимодействия детектируемого вещества и сенсора [2].
В типичной экспериментальной установке (рис. 2)
лазерный луч разделяется полупрозрачным зеркалом 2 на опорный и сенсорный лучи. Сенсорный луч вводится в оптический волновод 3 через вводную
призму под углом, который соответствовал резонансному возбуждению ТЕ0-моды. Эффективность ввода 
лазерного излучения в волноводную сенсорную ячейку в наших экспериментах была не ниже 20%.
Введенное в волноводную сенсорную ячейку излучение распространяется по ней, частично проникая в верхнюю обрамляющую среду, и в присутствии исследуемого газа на выходе выводной призмы наблюдается уменьшение амплитуды сигнала, регистрируемого фотоприемником (ФП 1). Сигнал опорного луча фиксируется вторым фотоприемником (ФП 2). В качестве фотоприемников могут использоваться кремниевые фотодиоды типа ФД-256. При низком отношении сигнал/шум (SNR) предпочтительнее применять фотоэлектронные умножители.
Сигналы с фотоприемников поступают на электронную схему сравнения 4. После аналого-цифрового преобразования сигнал регистрировался и обрабатывается компьютером 5. Наличие сигналов от опорного и сенсорного фотоприемников позволяет повысить отношение сигнал/шум и улучшить чувствительность датчика.
При использовании интегрально-оптического интерферометра типа Маха-Цендера оба плеча будут оптическими, что позволяет сделать всю схему более компактной и более устойчивой к внешним воздействиям и помехам. Действительно, отношение сигнал/шум при измерениях является одним из важных лимитирующих чувствительность датчика факторов, его повышению следует уделять особое внимание.
Затухание 
направляемой волноводной моды определяется по известным методикам [8, 13, 14].
Расстояние 
между вводом и выводом лазерного
излучения в волновод определяет
длину сенсорной ячейки и может, например, при использовании призменного
ввода/вывода варьироваться в пределах длины волноводной подложки.
Запись данных экспериментов в цифровом виде может производиться, например, с помощью компьютеризированной виртуальной лаборатории типа «PC-LAB», возможности которой могут быть расширены последующей математической обработкой полученных данных [13]. Данные измерений, сохраненные на компьютере, могут затем обрабатываться как с помощью различных компьютерных программ или с помощью таких систем компьютерной математики как «MathCAD» или «MathLab».
Рис. 2. Типичная схема измерительной установки: 1 – лазер; 2 – полупрозрачное зеркало; 3 – интегрально-оптический волноводный сенсор; 4 – электронная схема сравнения; 5 – компьютер.
Для расчетов концентрация газообразного аммиака в экспериментах можно использовать закон Бугера-Ламберта-Бэра в интегральной форме [13]:
, (1)
где P и P0 – мощность лазерного
излучения на выходе волноводной сенсорной ячейки в присутствии и в отсутствие
аммиака соответственно; L – толщина слоя исследуемой среды (длина сенсорной
ячейки); 
и 
– сечение поглощения и
распределение концентрации определяемого вещества вдоль оси 
; 
– локальный коэффициент затухания лазерного
излучения направляемой моды.
Результаты исследования чувствительности интегрально-оптического датчика газообразных веществ и их обсуждение
На рис. 3 и рис. 4 приведены два из ряда полученных графиков зависимости коэффициента затухания основной волноводной ТЕ-моды, который обусловлен наличием
газообразного аммиака.
Расчеты выполнены для экспериментальных условий измерения.
Полученные зависимости (см. рис. 3 и рис. 4) характеризуют
определенную минимальную чувствительность рассматриваемого
интегрально-оптического датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки при заданной величине сечения поглощения 
4∙10-16 см2 определяемого
вещества, в качестве которого выбран аммиак (см., например, указанную выше базу
данных МФТИ по сечениям поглощения молекул).
Подчеркнем, что применение этой величины в более широком
оптическом диапазоне длин волн требует проведения высокоточных экспериментов с
использованием прецизионных генераторов газов, которые являются эталонной мерой
и предназначены для воспроизведения размера единицы массовой концентрации
определяемых примесей в воздухе. На данный момент нам не удалось найти
достоверных данных для в видимом диапазоне длин волн.
Существующие в литературе данные, получены в традиционной спектроскопии с использованием
классических источников излучения (типа ламп накаливания). Обоснованность их
применения в измерениях с лазерными источниками требует дополнительных
трудоемких и дорогостоящих исследований. Отметим, что близкая к указанной выше величина у аммиака наблюдается в традиционной
спектроскопии в окрестности длин волн[2]
110 нм и 190 нм.
Рис.
3.
Зависимость минимальной чувствительности 
интегрально-оптического
датчика в зависимости от длины сенсорной ячейки L
(полагается, что L = z). На рисунке обозначены: 1 – зависимость при 
20;
2 –
уровень 
см-1,
соответствующий концентрации
газообразного аммиака в воздухе 0.1 ppm.
Минимальное значение коэффициента затухания волноводной моды в присутствии аммиака и при наличии случайного аддитивного шума рассчитывалось по простой формуле:
,
(2)
где 
– мощность сигнала, при котором отношение сигнал/шум в среднем не ниже заданного уровня; 
– мощность случайного аддитивного шума.
На рис. 3 обозначен также уровень ,
соответствующий концентрации газообразного
аммиака в воздухе 0.1 ppm. Как видно из рис. 3, при среднем значении 20 и эффективности ввода лазерного излучения в волноводную
сенсорную ячейку около 40%, для достижения уровня чувствительности 0.1 ppm длина сенсорной ячейки должна быть не менее 4 см.
На рис. 4 приведены результаты расчетов для предельного отношения сигнал/шум 
1. Параметры и здесь те же, что и на рис. 3. В
этом случае для достижения уровня чувствительности 0.1 ppm длина сенсорной ячейки должна быть увеличена как
минимум до 50 см. Следовательно, здесь требуется
брать почти
на порядок больше, чем при 20.
Эти два примера достаточно хорошо показывают влияние такого параметра как величина отношения сигнал/шум и длина сенсорной ячейки на чувствительность интегрально-оптического химического датчика.
Рис. 4. То же самое, что и на рис. 3, но при 1.
Рис. 5. То же самое, что и на рис. 3, но в отсутствие шума).
Компьютерное моделирование показало, что повышение
чувствительности интегрально-оптических датчиков подобного типа возможно,
например, с помощью: 1) повышения эффективности ввода лазерного излучения в волновод;
2) снижения потерь из-за рассеяния лазерного излучения на нерегулярностях
волноводной части сенсора при фиксированной ; 3) увеличения доли мощности волноводной моды в исследуемой среде.
Увеличение эффективности ввода лазерного излучения в волновод с 40 до
примерно 70% позволяет достичь чувствительности 0.1 ppm
при длине сенсорной ячейки примерно 10-15 см и около 10.
В отсутствие шума и при параметре = 40% для достижения уровня
чувствительности 0.1 ppm минимальная длина сенсорной ячейки = 1 см (см. рис. 5). В интервале изменения примерно от 1 до 2 см можно достичь чувствительности 0.1 ppm при незначительном шуме, когда > 100. Аналогичные
данные были также получены для нескольких других типов интегрально-оптических
химических датчиков.
Важно подчеркнуть, что при уменьшении выбранного сечения
поглощения от 4∙10-16
см2 до 10-19–10-21 см2 в случаях, показанных на рис. 3 и
рис. 4, потребуется значительное увеличение длины сенсорной ячейки. При этом
естественно возрастают требования к чувствительности измерительной аппаратуры и
математическим методам последующей обработки данных измерений. При
оптимизированных параметрах установки и использовании, например, в качестве
волноводного датчика цилиндрического стержня можно получить эффективную длину
сенсорной ячейки от нескольких метров до десятков метров. Это позволяет создать
подобные сенсоры компактными по линейным размерам, не превышающим примерно 15-20 сантиметров.
Дискуссия
Детальный анализ влияния рассеяния света на чувствительность интегрально-оптического волноводного датчика будет дан в одной из наших следующих наших работ. Здесь только отметим, что рассеяние лазерного излучения в волноводе [13-17, 19, 20] является одним из важнейших лимитирующих факторов достижения предельной чувствительности интегрально-оптических сенсоров [13]. В связи с этим для достижения высокой чувствительности интегрально-оптических датчиков необходимо детальнее исследовать проблему рассеяния лазерного излучения на границах раздела пленка–подложка и пленка–верхний покровный слой, поскольку с ростом разницы показателей преломления этих сред возрастают и потери на рассеяние волноводных мод интегрально-оптических волноводов. Аналогичные исследования необходимо провести и для интегрально-оптических датчиков, у которых есть рассеяние на внутренних дефектах волноводной части структуры сенсора.
Отметим, что интегрально-оптические волноводы на основе пленок, изготовленных по золь-гель технологии, несомненно, перспективны для создания различных интегрально-оптических сенсоров т.к. они сочетают относительную простоту реализации, дешевизну, прочность, возможность изменения показателя преломления в широком диапазоне. И, что чрезвычайно важно для создания независимых от температуры интегрально-оптических устройств, обладают сравнительно большим отрицательным температурным оптическим коэффициентом [19]. Указанные свойства делают их весьма привлекательными для создания атермальных волноводных устройств, т.е. устройств, параметры, которых не зависят от температуры. Подчеркнем, что температурной зависимости подвержены и такие необходимые компоненты систем плотного мультиплексирования, как узкополосные оптические фильтры, к которым относятся фильтры на основе волноводных матриц, резонаторы Фабри-Перо, РОС и РБО фильтры, интерферометры Маха-Цандера и др., что также связано с температурным изменением длины оптического пути.
Несомненный интерес представляет также исследование механизмов потерь в волноводных пленках, изготовленных по золь-гель технологии и оптических нановолокнах [19, 20], которые могут быть использованы как для создания перспективных оптических датчиков, так и найти применение в телекоммуникационных системах с высокой плотность передачи данных, а также – в системах обработки оптической информации.
Все эти факторы необходимо детально учитывать при решении задач анализа и синтеза перспективных оптических сенсоров параметров окружающей среды для достижения высоких метрологических характеристик данных сенсоров.
Заключение
В данной работе исследована зависимость чувствительности интегрально-оптического волноводного датчика от таких важных параметров собственно сенсора как длина волноводной ячейки, сечение поглощения исследуемого вещества и эффективность ввода лазерного излучения в волноводную ячейку, а также от важнейшего фактора, обусловленного условиями измерений – уровня аддитивного случайного шума, изменяющегося в широких пределах.
Датчики на основе интегрально-оптических волноводов могут найти применение, например, в компьютеризированных системах контроля качества воздуха в микроэлектронной, медицинской и химической промышленности, а также в других отраслях, где требуется оперативный контроль, особенно – взрыво- и пожароопасных газов.
Литература
1. Шмидт Д., Шварц А. Оптоэлектронные сенсорные системы. – М: Мир, 1991.
2. Lambeck P.V. // Sensors and Actuators, 1992, 8, p. 103.
3. Wiesmann R., Muller L., Klein R., Neyer A. // Proc. 7th European Conf. on Integrate Optics ECIO`95 (Delft, Netherland), 1995, p. 453.
4. Bednorz M., Urbańczyk M., Pustelny T., Piotrowska A., Papis E., Sidor Z., Kamińska E. // Molecular and Quantum Acoustics, 2006, 27, p. 31.
5. Pustelny T., Maciak E., Opilski Z., Bednorz M. // Optica Applicata, 2007, Vol. XXXVII, No. 1 2, p. 187.
6. Хомченко А.В., Глазунов Е.В., Примак И.У., Редько В.П., Сотский А.Б. // Письма в ЖТФ, 1999, 25, С. 11.
7. Mogensen K.B., El-Ali J., Wolff A., Kutter J.P. // Appl. Opt., 2003, 42, p. 4072.
8. Чехлова Т.К., Тимакин А.Г., Попов К.А. // ПТЭ, 2002, 45, С. 145.
9. Egorov A.A., Egorov M.A., Tsareva Yu.I., Chekhlova T.K. // Laser Physics, 2007, 17, С. 50.
10. Passaro V.M.N., Dell’Olio F., De Leonardis F. // Sensors, 2007, 7, С. 2741.
11. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. // Экология и промышленность России, 2008, № 4 (апрель), С. 16.
12. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. // Датчики и системы, 2008, № 1, С. 25.
13. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. // Квантовая электроника, 2008, 38, С. 787.
14. Hunsperger R.G. Integrated Optics: Theory and Technology. – New York: Springer-Verlag, 1984. (Перевод: Хансперджер Р. Интегральная оптика: Теория и технология. – М.: Мир, 1985).
15. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов. – М.: Радио и связь, 1987.
16. Егоров А.А. // Квантовая электроника, 2004, 34, С. 744.
17. Egorov A.A. // Las. Phys. Let., 2004, 1, p. 579.
18. Маненков А.Б. // Изв. вузов. Сер. Радиофизика, 2005, 48, С. 388.
19. Чехлова Т.К., Живцов С.В., Грабовский Е.И. // Радиотехника и Электроника, 2006, 51, C. 855.
20. Kovalenko A.V., Kurashov V.N., Kisil A.V. // Optics Express, 2008, 16, p. 5797.
193 нм) или
вторая гармоника азотного лазера (